DE4141739A1 - Verfahren zum betrieb einer resistiven wegmesseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit zur Ermittlung der Position beweglicher Anlageelemente, insbesondere bei druckmittelbetriebenen Arbeitszylindern.

Wegmeßeinheiten zur Ermittlung der Position beweglicher Anlageelemente sind insbesondere bei der Positionsermittlung der Kolben oder Kolbenstange bzw. Schlittenstellung von druckmittelbetriebenen Arbeitszylindern bekannt. Die hierbei eingesetzten resistiven Wegmeßeinheiten in Form von sogenannten Potentiometern bzw. Schiebereglern ordnen der jeweilig ermittelten Spannung bzw. dem jeweilig ermittelten Widerstand einen entsprechenden Ort, beispielsweise der Kolbenstellung zu. Vielfach sind die zu erfassenden Hübe bei druckmittelbetriebenen Arbeitszylindern recht groß, so daß bei einer genauen Positionsermittlung entsprechend genaue, d. h. Schieberegler mit hoher Linearität eingesetzt werden müssen. Für Schieberegler sind in der Regel Prozentfehler angegeben, die jedoch bei größeren Baulängen, beim Einsatz beispielsweise in Arbeitszylindern mit großen Hublängen in erhebliche absolute Fehler der Ortsbestimmung resultieren.

Um bei großen Hublängen eine trotzdem gute Ortsauflösung auch in kleinen Hubbereichen zu gewährleisten, setzt man bekannterweise Potentiometer bzw. Schieberegler höherer und damit sehr teurer Güteklassen ein, die eine entsprechende Linearität aufweisen.

Aus der DE-OS 36 39 150 ist eine als Potentiometer bezeichnete resistive Wegmeßeinheit bekannt, welche innerhalb eines druckmittelbetriebenen Arbeitszylinders angeordnet ist und die Stellung des Kolbens bzw. der ausgefahrenen Kolbenstange ermittelt. Zur Positionsermittlung bei Arbeitszylindern mit großen Hublängen ist ein entsprechend langes, sich über die gesamte Hublänge erstreckendes Potentiometer zu verwenden. Dieses entsprechend lange Potentiometer ist bei der Maßgabe eine hohe Linearität aufzuweisen und damit entsprechend genau zu sein auch entsprechend teuer.

Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit vorzugeben, bei dem es möglich ist, bei der Forderung hoher Ortsauflösung selbst bei großen Hublängen auch einfache und damit preiswertere Potentiometer bzw. Schieberegler geringerer Linearität verwenden zu können.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Durch das erfindungsgemäß vorgegebene Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit ist es unter Verwendung eines Mikroprozessors möglich, ein entsprechend einfaches Potentiometer mit geringerer Linearität und niedriger Preiskategorie zu verwenden. Bei dem derzeitigen Angebot an leistungsfähigen Mikroprozessoren, die zu erstaunlich niedrigen Preisen erworben werden können, ergibt sich, daß ein Potentiometer geringerer Linearität gemeinsam mit einem Mikroprozessor noch deutlich preiswerter ist als ein Potentiometer hoher Linearität. Durch den Einsatz des Mikroprozessors kann man die Genauigkeit der Positionsermittlung variabel gestalten. Dies ergibt sich aus der frei wählbaren Positionsschrittweise während des Eichvorganges der Wegmeßeinheit.

Die Durchführung dieser Eichung vor Erstinbetriebnahme ist in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung auf zwei Weisen möglich. Die erste Betriebsweise ist, die Aktionslänge der Wegmeßeinheit betragmäßig einzugeben und im Mikroprozessor anschließend eine positionsmäßige Normierung bzw. Skalierung selbsttätig vorzunehmen. Mit anderen Worten heißt dies, es wird zunächst Anfangs- und Endpunkt der Wegmeßeinheit erfaßt und eingegeben und der Aktionsbereich zwischen Anfangs- und Endpunkt anschließend innerhalb des Mikroprozessors auf eine beliebige Art und Weise normiert bzw. skaliert. Diese Skalierung kann dabei sowohl linear als auch logarythmisch sein. Eine logarythmische Skalierung erweist sich dann als besonders vorteilhaft, wenn die Wegmeßeinheit in pneumatischen Positionierzylindern eingesetzt werden soll. Der Grund dafür wird weiter unten noch ausgeführt. Eine zweite Betriebsweise ist, die Eichung vor Erstinbetriebnahme durch positionsmäßiges Abfahren mit Hilfe einer bereits geeichten Wegmeßeinrichtung vorzunehmen. Eine solche Betriebsweise benötigt entsprechend zu jedem positionsmäßig erfaßten Ort x einen dazugehörigen dauerhaft abgespeicherten Spannungs- und/oder Widerstandswert. Das heißt, das Datenfeld ist entsprechend groß anzulegen. Ist die Wegmeßeinheit für einen Arbeitszylinder innerhalb einer umfangreich geregelten Anlage vorgesehen, so erweist sich die erste Betriebsweise als besonders vorteilhaft, da die Mittel zur elektronischen Verarbeitung von Signalen und Ansteuerungen der entsprechenden Stellglieder ohnehin vorhanden sind.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die positionszugeordneten, im Datenfeld abgelegten Spannungs- und/oder Widerstandswerte als Kurvenverlauf in Abhängigkeit der Position bewertet und durch eine mathematische Funktion approximiert. Damit hat man nun die Wahl, die Zuordnung von Spannungs- und/oder Widerstandswert zur entsprechenden Position entweder direkt in einem Datenfeld unter entsprechender Adresse abzulegen und dies für jede angefahrene Position vorzunehmen, oder den ermittelten Kurvenverlauf der Spannungs- und/oder Widerstandswerte durch eine mathematische Funktion zu beschreiben und auf diese Weise die Position zu errechnen. Diese funktionale Approximation hat den Vorteil, daß man das Datenfeld entsprechend klein halten kann und zumindest abschnittsweise, wenn nicht sogar über den gesamten Aktionsbereich der Wegmeßeinheit die Position durch die abgespeicherte Funktion darstellbar bzw. abrufbar macht. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, die Positionsschrittweite kleiner oder gleich der gewünschten Ortsauflösung der Wegmeßeinheit zu wählen ergibt die gewünschte Genauigkeit. Zur Positionszuordnung können die Spannungs- und/oder Widerstandswerte entweder so bewertet werden, daß die Absolutbeträge der ermittelten Spannungs- und/oder Widerstandswerte bewertet werden und die Positionszuordnung liefern, oder daß die Positionszuordnung aus den Abweichungen der ermittelten Spannungs- und/oder Widerstands-Istwerte von einem idealisierten linearen Spannungs- bzw. Widerstandsverlauf erfolgt. Beide Betriebsarten können entweder mit direkter Abspeicherung im Datenfeld, in dem zu jedem Ort x ein Spannungs- bzw. Widerstandswert abgelegt ist, betrieben werden; oder bei der Betriebsart den Spannungs- und/oder Widerstandswerteverlauf mathematisch durch eine Funktion zu approximieren. In letzter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann zur Steigerung der Meßgenauigkeit bzw. Zuverlässigkeit nach Eichung der Wegmeßeinheit, also im bestimmungsgemäßen Betrieb der Positionsermittlung, neben der Bewertung der positionsabhängigen Spannungs- und/oder Widerstandswerte eine Trendbewertung der vorherig ermittelten Spannungs- und/oder Widerstandswerte erfolgen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn sich im gemessenen Spannungs- und/oder Widerstandswerteverlauf erhebliche Abweichungen von der Linearität ergeben, die jedoch reproduzierbar sein müssen, so daß die Zuordnung von Spannungs- bzw. Widerstandswert und Position mathematisch nicht eineindeutig ist. Das heißt mit anderen Worten, es kann aufgrund der elektrischen Beschaltung sowie aufgrund von Unzulänglichkeiten der Widerstandsbahn der Wegmeßeinheit Abschnitte im ermittelten Spannungs- und/oder Widerstandswerteverlauf geben, bei denen betragsmäßig gleiche Spannungs- und/oder Widerstandswerte an mehr als einem Ort x gemessen werden. In solchen Fällen ist die Bewertung des Trends, also die Berücksichtigung vorherig ermittelter Spannungs- und/oder Widerstandswerte vorteilhaft, so daß die absolute Position entsprechend zuverlässig genug bestimmt werden kann.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben.

Das Verfahren ist durch das Zusammenwirken von resistivem Wegelement, beispielsweise Potentiometer bzw. Schieberegler, mit Mikroprozessor möglich. Das Potentiometer ist dabei mit einer Widerstandsbahn und einem Schleifer versehen, wobei sich Spannungstellerverhältnisse ergeben, die jeweils dem entsprechend angefahrenen Ort des Potentiometers zugeordnet werden können. Über die Kopplung des Schleifers entweder mit dem Kolben, beispielsweise bei kolbenstangenlosen sogenannten Zugbandzylindern oder mit der Kolbenstange eines normalen Arbeitszylinders, kann die Position des auf diese Weise angekoppelten Anlageelementes bestimmt werden. Der dem jeweiligen Ort des Schleifers auf der Widerstandsbahn zuzuordnende Spannungs- bzw. Widerstandswert wird dabei in einem mindestens eindimensionalen Datenfeld abgelegt. Dieses Datenfeld ist innerhalb des Mikroprozessors arrangiert, wobei die dort abgelegten Werte auch entsprechend wieder abgerufen werden können und bei Veränderung des Ortes des Schleifers auf der Widerstandsbahn und Rückkehr auf einen entsprechenden Punkt wieder die Ortszuordnung des ermittelten Widerstands- oder Spannungswertes ermöglichen.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ergibt sich aus der Koordinatendarstellung in der Abbildung. Der obere Kurvenverlauf stellt den Spannungs-Istwertverlauf U_(x) an der resistiven Wegmeßeinheit dar. Die Zuordnung dieser Kurve zur Abszisse erfolgt in einer Ausgestaltungsmöglichkeit durch die beschriebene Eichung mittels eines sogenannten Masters, d. h. eines bereits geeichten Wegmeßsystems. Man findet, daß die Kurve die Zuordnung zwischen abgegriffener Spannung und der eingestellten Position wiedergibt. Dieser Kurvenverlauf kann dabei aus diskreten, d. h. real gemessenen Punkten bestehen, die dann als Wertepaar, d. h. Spannungswert und Positionswert, in einem Datenfeld unter Angabe einer entsprechenden Adresse abgelegt werden. Diese Verfahrensweise bietet sich dann an, wenn der Kurvenverlauf

• - mathematisch gesprochen - eine eindeutige Zuordnung zwischen Spannungswert und Position liefert. In dem Fall, daß eine mittlere Genauigkeit hinreichend ist, d. h. daß die Schrittweite entsprechend so groß ist, daß Unstetigkeiten oder nicht eineindeutige Abschnitte im Kurvenverlauf nicht registriert bzw. nicht aufgelöst werden, kann diese Verfahrensweise hinreichend sein. Für den Fall, die Wegmeßeinheit für einen Arbeitszylinder innerhalb einer umfangreich geregelten Anlage einzusetzen, empfiehlt sich die Verfahrensweise der Darstellung des Spannungsverlaufes durch eine approximierte mathematische Funktion. Diese Approximation des Istwert-Spannungsverlaufes durch eine mathematische Funktion muß um so genauer sein, je feinfühliger das Potentiometer eingeeicht werden soll und je feinfühliger es betrieben werden soll. Aus dieser Verfahrensweise ergibt sich gegenüber der ersten Verfahrenswelse der Unterschied, daß beim bestimmungsgemäßen Betrieb der Positionsermittlung nicht mehr die gesamten Spannungs-Positions-Wertepaare über den ganzen Kurvenverlauf hin in einem Datenfeld dauerhaft abgespeichert werden müssen, sondern nur während des Eichvorganges, also während der Approximation. Das heißt, anhand eines am resistiven Wegmeßsystem genommenen Spannungswertes kann während des Betriebes nach der Eichung über die mathematische Funktion die Position zugeordnet werden. Diese Verfahrensweise erweist sich beim Einsatz in einer umfangreich geregelten Anlage deshalb als vorteilhaft, da sich hierbei eine schnelle Positionsermittlung ergibt.

Die x-Achse, das heißt also die Positions-Achse, kann auf zwei Ausgestaltungsweisen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ermittelt werden. Die erste Möglichkeit besteht darin, daß aus dem Abfahren mit Hilfe einer bereits geeichten Wegmeßeinrichtung die Eichung der x-Achse erfolgt. Die zweite Möglichkeit besteht darin, daß eine betragsmäßige Eingabe der Aktionslänge, d. h. Anfangs- und Endpunkt des aktiven Bereiches der Wegmeßeinheit in den Mikroprozessor vorgegeben wird und daß anschließend selbsttätig innerhalb des Mikroprozessors eine positionsmäßige Normierung dieser x-Achse erfolgt.

Dabei müssen dann zunächst Anfangs- und Endpunkt angefahren werden, so daß hierfür jeweils Spannungs-Positions-Wertepaare vorliegen. Das weitere Abfahren der Wegmeßeinheit und Ablegen von Wertepaaren kann dann selbsttätig mit oder ohne Zuhilfenahme eines bereits geeichten Wegmeßsystems erfolgen. Diese Verfahrensweise ist besonders dadurch vorteilhaft, daß die Skalierung der x-Achse stets frei gewählt werden kann. Das heißt, man hat die Auswahl, die x-Achse entweder äquidistant zu skalieren oder eine logarythmische Skalierung vorzunehmen. Die logarythmische Skalierung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Wegmeßeinheit in geregelten pneumatischen Positionieranlagen eingesetzt werden soll. Die Vorteilhaftigkeit ergibt sich daraus, daß das Druckmittel der Pneumatik sehr kompressibel ist, so daß je nach Momentanposition des Kolbens im Arbeitszylinder unterschiedliche Druckmittelbeaufschlagungen unter der Maßgabe konstant gehaltener Beschleunigungen bewirkt werden müssen. In einem Beispiel heißt das, befindet sich der Arbeitskolben nahe einem der Endanschläge und ist das zur Bewegung mit Druckmittel zu beaufschlagende Volumen klein, so genügt die Ansteuerung mit einer entsprechend kleinen Druckmittelmenge, um den Kolben mit gegebener Beschleunigung zu bewegen. Befindet sich der Kolben jedoch irgendwo innerhalb des Arbeitszylinders, wobei das entsprechend zu beaufschlagende Volumen größer ist als im ersten Fall, so muß die Druckmittelbeaufschlagung zur Erzielung einer gleichwertigen Beschleunigung in diesem Falle größer sein als im ersten Fall; selbst wenn der Kolben in beiden Fällen gleiche Hübe ausführen soll. Aus dieser Positionsabhängigkeit erweist es sich besonders vorteilhaft, eine Wegmeßeinheit bzw. ein Potentiometer zu verwenden, welches durch die entsprechende logarithmische Skalierung im Anfangsbereich eine entsprechend feine und im Endbereich bzw. im Mittenbereich eine entsprechende grobe Skalierung oder umgekehrt aufweist.

Aus der Einsetzbarkeit dieses Verfahrens in umfangreich geregelten pneumatischen Positionieranlagen ergibt sich, daß die Spannungs-Positions-Wertepaare nicht in einem eindimensionalen, sondern in einem mehrdimensionalen Datenfeld abgelegt werden können. Dies ergibt sich, wenn neben der reinen Positionsbestimmung auch noch positionsabhängige Regelparameter angesteuert bzw. abgerufen werden müssen. Dies kann sich aus dem bereits oben dargestellten Grund ergeben, da die anzusteuernden Druckmittelmengen unter der Maßgabe konstant gehaltener Beschleunigung auch positionsabhängig sind. Auf diese Weise kann neben der einfachen Positionserfassung auch eine entsprechend positionsabhängige Ansteuerung von Regelparametern oder Regelparametersätzen erfolgen.

Für alle bisher beschriebenen Verfahrensweisen gibt es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung entweder die Möglichkeit, den Absolutbetrag der ermittelten Spannung, d. h. |U(x_i)| als Ortskenngröße zu verwenden, d. h. entweder in einem Datenfeld abzulegen oder funktional zu beschreiben oder man geht so vor, daß man nur die Abweichung Yi der ermittelten Spannung U(x)-Ist von einer entsprechenden Spannung U(x)-ideal auf einer idealisierten linearen gedachten Spannungs-Kennlinie bewertet, d. h. in einem Datenfeld ablegt oder funktional beschreibt. Des weiteren gibt es unabhängig von der gerade gewählten Verfahrensweise die Möglichkeit, die nicht eineindeutige Ortszuordnung eines gemessenen Spannungswertes zu umgehen, indem in einem externen Rechner neben der Bewertung der ermittelten Spannung auch noch eine Bewertung des Trends im Spannungsverlauf erfolgt. Das heißt, selbst In einem solchen Fall, in dem mehreren Positionswerten x der gleiche Spannungswert zuzuordnen ist, eine Entscheidung darüber treffen zu können, in welcher Richtung sich der Positionierantrieb bewegt, bzw. bewegt hat. Das heißt, durch die Berücksichtigung der vorherigen aufgenommenen Spannungswerte können selbst solche nicht eineindeutigen Kurvenabschnitte zu einer Positionsbestimmung herangezogen werden.

Zu den Abweichungen vom linearen bzw. idealisierten Spannungsverlauf ist ergänzend zu sagen, daß es sich bei den Unzulänglichkeiten des Potentiometers bzw. Schiebereglers unbedingt um reproduzierbare Unzulänglichkeiten handeln muß. Staubverschmutzungen oder Oberflächenfehler auf der Widerstandsbahn, die nach mehrmaligem Betätigen der resistiven Wegmeßeinheit verschwunden bzw. verändert sind, können hierbei zumindest nicht nachhaltig berücksichtigt werden. Solche Fehler treten jedoch nicht dauerhaft auf und können somit durch konstruktive Mittel wie staubfreie Gehäuse und dergleichen umgangen werden. Bei Unzulänglichkeiten auf der Oberfläche, die aufgrund von Reibung nach mehrmaligem Betätigen abgetragen sind, erweist es sich in einem solchen Fall stets als vorteilhaft, die Wegmeßeinheit nach entsprechender Betriebszeit noch einmal neu zu eichen. Diese Eichung ist jedoch beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren sowie bei deren verschiedenen Ausgestaltungsmöglichkelten unter Zuhilfenahme eines Mikroprozessors vollkommen problemlos.

Insgesamt ergibt sich der Vorteil, daß bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, bei dem ein Mikroprozessor zur Anwendung kommt, sich weite Einsatzfelder ergeben. Antriebssysteme, bei denen ohnehin elektronische Mittel in oft umfangreichem Maße zur Regelung bzw. Steuerung eingesetzt werden, ist ein solches System, d. h. ein solches Verfahren einfach zu realisieren. Des weiteren ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für resistive Wegmeßeinheiten in Form von Schiebereglern einsetzbar ist, sondern daß dies auch bei Drehpositionierungen, sowie in Antrieben mit beliebigem Verfahrweg einsetzbar ist.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit zur Ermittlung der Position beweglicher Anlageelemente, insbesondere bei druckmittelbetriebenen Arbeitszylindern, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegmeßeinheit zumindest vor Erstinbetriebnahme positionsmäßig abgefahren und derart geeicht wird, daß die mit einer frei wählbaren Positionsschrittweite der Wegmeßeinheit ermittelten zugehörigen Spannungs- und/oder Widerstandswerte bezüglich der jeweiligen Position zugeordnet und unter Verwendung eines Mikroprozessors in einem mindestens eindimensionalen Datenfeld entsprechend adressiert abgelegt werden.

2. Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Erstinbetriebnahme gleichzeitig die Aktionslänge der Wegmeßeinheit betragsmäßig eingegeben und anschließend elektronisch eine positionsmäßige Skalierung im Mikroprozessor vorgenommen wird.

3. Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichung vor Erstinbetriebnahme durch positionsmäßiges Abfahren mit Hilfe einer bereits geeichten Wegmeßeinrichtung erfolgt.

4. Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positionszugeordneten, im Datenfeld abgelegten Spannungs- und/oder Widerstandswerte als Kurvenverlauf in Abhängigkeit der Position bewertet und durch eine mathematische Funktion approximiert werden.

5. Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die positionszugeordneten Spannungs- und oder Widerstandswerte im mindestens eindimensionalen Datenfeld derart abgelegt sind, daß jeder Position x ein Spannungs- und/oder Widerstandswert zugeordnet ist.

6. Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Positionszuordnung die Absolutbeträge der ermittelten Spannungs- und/oder Widerstandswerte bewertet werden.

7. Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Positionszuordnung die Abweichungen der ermittelten Spannungs- und/oder Widerstands-Istwerte von einem idealisierten linearen Spannungs- bzw. Widerstandsverlauf bewertet werden.

8. Verfahren zum Betrieb einer resistiven Wegmeßeinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Eichung der Wegmeßeinheit zur bestimmungsgemäßen Positionsermittlung neben der Bewertung der positionsabhängigen Spannungs- und/oder Widerstandswerte eine Trendbewertung durch Berücksichtigung vorherig ermittelter Spannungs- und/oder Widerstandswerte erfolgt.